• ISSN 0258-2724
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寒区隧道温度场变化规律及空气幕保温效果

高焱 耿纪莹 贾超 周君 朱永全 何本国 钟勇强

高焱, 耿纪莹, 贾超, 周君, 朱永全, 何本国, 钟勇强. 寒区隧道温度场变化规律及空气幕保温效果[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(5): 1047-1054. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170295
引用本文: 高焱, 耿纪莹, 贾超, 周君, 朱永全, 何本国, 钟勇强. 寒区隧道温度场变化规律及空气幕保温效果[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(5): 1047-1054. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170295
GAO Yan, GENG Jiying, JIA Chao, ZHOU Jun, ZHU Yongquan, HE Benguo, ZHONG Yongqiang. Temperature Field Law in Cold Region Tunnels and Insulation Effect of Air Curtain[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(5): 1047-1054. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170295
Citation: GAO Yan, GENG Jiying, JIA Chao, ZHOU Jun, ZHU Yongquan, HE Benguo, ZHONG Yongqiang. Temperature Field Law in Cold Region Tunnels and Insulation Effect of Air Curtain[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54(5): 1047-1054. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170295

寒区隧道温度场变化规律及空气幕保温效果

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170295
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(2018YFC0407006);国家自然科学基金资助项目(51808248,51778380);江苏省“六大人才高峰”资助项目(2015-XXRJ-017);江苏省高等学校自然科学重大资助项目(17KJA580001);江苏省交通运输科技与成果转化资助项目(Z413B17322)
详细信息
    作者简介:

    高焱(1984—),男,博士研究生,研究方向为隧道与地下工程,E-mail:gao9941@163.com

  • 中图分类号: U451.3

Temperature Field Law in Cold Region Tunnels and Insulation Effect of Air Curtain

  • 摘要: 隧道洞口段铺设保温层不能完全解决寒区隧道的冻害问题,为此提出一种新型寒区隧道空气幕保温系统,采用叠加原理、分离变量法和贝塞尔特征函数建立列车风影响下寒区隧道温度场计算模型,研究不同列车运行速度和运行间隔时寒区隧道温度场的分布规律,验证了新型寒区隧道空气幕保温系统保温效果. 研究结果表明:当外界气温为 −30 ℃,围岩地温为5 ℃时,隧道洞口段铺设保温层已无法满足寒区隧道保温需求,应与主动保温措施联合;寒区长大隧道结构防寒不应仅在洞口段,若列车运行速度大(大于200 km/h)、列车运行频率高(间隔小于30 min),寒区长大隧道需要全隧道防寒;50 m的保温空气幕联合1 050 m的保温层可以满足外界气温为 −30 ℃、围岩地温为5 ℃、列车运行速度为300 km/h、列车运行间隔为10 min这种极端情况下寒区隧道的保温需求.

     

  • 图 1  圆形隧道温度场模型

    Figure 1.  Temperature field model of circular tunnel

    图 2  实测值和计算值对比

    Figure 2.  Comparison of field monitoring and computing data

    图 3  不同运行时速时洞内空气温度场分布规律

    Figure 3.  Air temperature distribution in tunnel caverns under different running speed holes

    图 4  列车运行情况

    Figure 4.  Train operation diagram

    图 5  不同计算时间洞内温度的变化规律

    Figure 5.  Changing law of temperature in tunnel with various computation time

    图 6  不同运行间隔下初衬后围岩温度与进深关系

    Figure 6.  Relationship between temperature behind preliminary supporting and length under different train running intervals

    图 7  寒区隧道空气幕保温系统控制原理

    1—工业补充电源接触开关 2—逆变器接触开关 3~9—空气幕机接触开关 10—蓄电池电能监测器 11—温度传感器 12—风速传感器 13、14—自然风空气幕 15~22—热风空气幕 23—自然风空气幕 24—风力发电机组 25—光伏组件 26—控制器 27—蓄电池 28—逆变器 29—工业补充电源 30—PLC电路

    Figure 7.  Control Principle of air curtain insulation system to tunnel in cold region

    图 8  隧道进口处二衬温度

    Figure 8.  Temperature of lining at tunnel entrance

    图 9  列车运行间隔为10 min时洞内温度与隧道进深关系

    Figure 9.  Relationship between tunnel temperature and tunnel length for train operation interval of 10 min

    表  1  热力学计算参数

    Table  1.   thermodynamic calculation parameters

    材料密度/
    (kg•m−3
    热传导系数/
    (W•m−1•℃−1
    比热/
    (kJ•kg−1•℃−1
    钢筋混凝土2 4001.570.85
    围岩2 0561.181.05
    聚氨酯560.031852
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    表  2  对流换热系数

    Table  2.   Convective heat transfer coefficient

    速度/(m•s−1)λ/(×10−2W•(m•K)−1)h/(W·(m2•K)−1)
    15.0 (列车)2.323.38
    5.0 (余风)2.39.71
    1.5.0 (自然风)2.33.71
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    表  3  气流阻隔效率

    Table  3.   Barrier efficient of airflow

    自然风速/(m•s−11.01.52.03.04.05.0
    $\eta $0.890.790.690.460.290.19
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    表  4  不同列车运行间隔计算工况

    Table  4.   Computation cases with different train running intervals

    项目工况1工况2工况3
    运行时间间隔/min102030
    列车运行速度/(m•s−1838383
    列车通过时间/s363636
    隧道壁面列车风风速/(m•s−1151515
    余风风速/(m•s−1444
    余风作用时间/s909090
    自然风风速/(m•s−10.320.320.32
    自然风作用时间/s4741 0741 674
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  • BONACINA C, COMINI G, FASANO A, et al. Nu-merical solution of phase-change problems[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 1973, 16(6): 1852-1882.
    COMINI C, DEL GUIDICE S, LEWIS R W, et al. Finite element solution of nonlinear heat conducti-on problems with special reference to phase change[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1974, 8(6): 613-624.
    HARLAN R L. Analysis of coupled heat-fluid transport in partial frozen soil[J]. Water Resources Research, 1973, 9(5): 1314-1323. doi: 10.1029/WR009i005p01314
    赖远明,吴紫汪,朱元林,等. 寒区隧道温度场、渗流场和应力场耦合问题的非线性分析[J]. 岩土工程学报,1999,21(5): 529-533. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.1999.05.001

    LAI Yuanming, WU Ziwang, ZHU Yuanlin, et al. Nonlinear analyses for the couple problem of temperature seepage and stress fields in cold region tunnels[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999, 21(5): 529-533. doi: 10.3321/j.issn:1000-4548.1999.05.001
    夏才初,张国柱,肖素光. 考虑衬砌和隔热层的寒区隧道温度场解析解[J]. 岩石力学与工程学报,2010,29(9): 1767-1773.

    XIA Caichu, ZHANG Guozhu, XIAO Suguang. Analytical solution to temperature fields of tunnel in cold region considering lining and insulation layer[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(9): 1767-1773.
    谭贤君,陈卫忠,于洪丹. 考虑通风影响的寒区隧道围岩温度场及防寒保温材料敷设长度研究[J]. 岩石力学与工程学报,2013,32(7): 1400-1409. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2013.07.015

    TIAN Xianjun, CHEN Weizhong, YU Hongdan. Study of temperature field of tunnel surrounding rock in cold regions considering effect of ventilation and length design of insulation material[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013, 32(7): 1400-1409. doi: 10.3969/j.issn.1000-6915.2013.07.015
    卢炜. 寒冷地区高速铁路隧道内温度场变化特性及其影响[J]. 铁道建筑,2014,3(9): 67-70. doi: 10.3969/j.issn.1003-1995.2014.09.19

    LU Wei. Variation characteristics and influence of temperature field in high speed railway tunnel in cold region[J]. Railway Engineering, 2014, 3(9): 67-70. doi: 10.3969/j.issn.1003-1995.2014.09.19
    奥齐西克. 热传导[M]. 俞昌铭译. 北京: 高等教育出版社, 1984: 163-172.
    王维,王丽慧. 新建地铁隧道内活塞风温度变化理论分析[J]. 地下空间与工程学报,2014,10(4): 962-967.

    WANG Wei, WANG Lihui. Theoretical analysis on temperature change of piston wind in the new subway tunnel[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014, 10(4): 962-967.
    张耀,何树生,李靖波. 寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解[J]. 冰川冻土,2009,31(1): 114-118.

    ZHANG Yao, HE Shusheng, LI Jingbo. Analytic solutions for the temperature fields of a circular tunnel with insulation layer in cold region[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2009, 31(1): 114-118.
    沈翔. 地下铁道活塞风特性的研究[D]. 上海: 同济大学, 2004.
    王树刚,江亿,朱颍心. 北京地铁列车活塞风的实测与分析[J]. 暖通空调,1998,28(5): 47-49.

    WANG Shugang, JIANG Yi, ZHU Yinxin. Field test and analysis of piston action ventilation in Beijing underground railway system[J]. Heating Ventilating & Air Conditioning, 1998, 28(5): 47-49.
    中铁二院工程集团有限责任公司. 铁路隧道运营通风设计规范: TB10068—2010[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2010.
    龙垚. 寒区长大隧道温度场的三维分析及保温措施研究[D]. 兰州: 兰州交通大学, 2013.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-16
  • 修回日期:  2018-09-25
  • 网络出版日期:  2019-09-11
  • 刊出日期:  2019-10-01

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